植物抗性响应机制的信号转导和转录调节

植物抗性响应机制的信号转导和转录调节摘要：植物的防御反应被一系列复杂的信号分子和转录调控因子调控。抗性基因（R基因）在识别病原菌和起始抗性响应中起到一定作用。三个重要的信号分子，水杨酸（SA），茉莉酸（JA）和乙烯都调节R基因表达和基础抗性的响应。这些信号途径已经通过突变体研究了对病原菌的感病性或抗性，或对这些突变体外部喷施SA,JA和£丁。在不同信号途径中的交叉反应导致抗性相关基因的调整。复杂的调控网络至少被八个不同的转录因子家族调控着抗性相关基因的表达。一些在相同启动子上能诱导不同的转录因子顺式作用元件可能诱导产生相同的抗性基因。这种复杂的抗性信号和基因表达使植物能成功的抵抗多种病原菌。前言：植物应对病原菌的侵染通过复杂的适应性的响应。有的响应是组成型的表达或病原菌非特异性的，但是大多数是通过识别病原菌的特性后诱导的。植物依赖于这种复杂的响应，可能死于病原菌的侵染（亲和反应），或者阻止病原菌的侵染（非亲和反应）。R基因的表达产物会识别病原菌的avr基因从而启动抗病反应°R-avr结合会造成细胞新陈代谢改变。早期的响应是Ca信号产生活性氧和蛋白激酶。接下来，编码信号分子或与这些分子相关的抗性生理和代谢的转录因子增加。已知的不同的R-avr信号途径交汇到一点，经常导致相同的目标基因表达。植物的抗性反应通过下游信号因子的积累，如SA,JA,ET，而这些因子又通过加强细胞壁、木质化，产生抗毒素和局部细胞死亡反过来调控抗性反应表达。植物的这一套事件导致抗性的表达。通过对拟南芥抗性相关基因突变体的研究可以了解在R基因识别和防御反应的表达中下游信号的转导。通过确认这些突变体出现了增强感病性或抗性可以使我们了解SA,JA,ET的信号途径。另一个植物激素脱落酸（ABA）也在抵御病原菌中起到作用。抗性响应包括有着不同路径广泛的信号放大和交互途径的复杂的信号网络。近年来，cDNA微阵列已经用于抗性诱导基因表达的研究。此项技术可以用来对病原菌诱导的信号分子基因的表达即SA,JA,ET。一大部分基因在抗性响应中对其他基因起到暂时和空间调控的作用或者编码转录因子。转录因子属于一个大的基因家族而且诱导抗性相关基因的表达。本综述了病原菌诱导的抗性响应的信号转导途径。对模式植物拟南芥的各种突变体的研究证明了本文中提到的大多数路径。R基因信号途径在病原菌识别中R基因起到很大的作用。当R基因的产物识别与病原菌avr基因时便引发基底的和特殊的抗性响应。R基因的产物是多态性的而且在拟南芥中是受100多个位点的多基因家族编码。大多数已经确定的R基因都编码一个细胞内的蛋白。这个蛋白在C-段包含一个亮氨酸丰富的核糖结合位点(LRR)。R蛋白与的膜结合或许是在细胞质中，它参与病原菌的识别，导致在病原菌侵入的位点的超敏细胞死亡。一些R-依赖的信号途径已被证实在下游调控因子上有不同之处。一些下游调控因子有脂肪酶类似蛋白，未知功能的膜结合和一些蛋白依赖的蛋白降解因子。一些R基因诱导的信号在早期交汇到一点以此导致与防御响应和信号途径有关共同基因上调。在植物中已确认了调节防御响应的三种关键信号分子分别是，SA、JA和ET。它们的功能已通过突变体进行研究。SA信号途径已知在植物发生局部或系统抗性时SA会积累。在抗性响应中起到重要编码病程相关(PR)的蛋白的转录将活化，PR蛋白可以作为是SA激发下游信号的一个有用的参考。人们利用突变体对SA信号转导途径进行遗传分析。这种突变体显示了SA诱导的PR蛋白的表达缺陷。在一些突变体中没有出现SA的积累(eds4,eds5,pad4,sidl,sid2)，然而其它的突变体(nprl,sail,nim1)SA信号受到影响，因此它们对外源喷施SA不敏感。这两种突变都增加了对病原菌的敏感性。另一方面，有些突变体表现出稳定的PR基因表达，从而导致SA积累增加(cprl,cpr5,cpr6).这些突变体表现出对病原菌的抗性。能表达出细菌羟化酶(nahG)转基因植物会导致SA水解成水解成儿茶酚从而抗性降低。人们也运用与SA相关的突变体来分析SA在信号转导的作用。双突变的研究可以进一步研究SA在抗病信号转导的作用。在eds和cpr的双突变体表现出对一种病原菌的抗性但对另一种没有作用，表明了对这种病原菌有两个不同的SA依赖的信号途径，一种依赖NPR1，另一种不依赖NPR1。Tafrk1Defeiji^-reldLed.iniikLnLa-d.([ea.edInSA.J纹由11口里MiikinLa-l^cmark^cmucnc；1prcild□/phenuLypcKcfcrcnucMutnj;ckhiurKijd]<iisceptibilri?i-ti*pmhi猝做Nolux:Limuliiti-onaf£A找M:enhanced bility4enhanceddjxzis占 bility§出｝:SA.iriducticn-deficient1耘上fiAmductifTi-dcficient2况直：phytnaJac[卜场亡物七4-死七bi-a^mthe&kHpm«-lik：£pr-ola-nP-aiibvBTejzu.h.lorforind/ucticinof&As^-tithesisDjpMAjs-lik-=protein(tofenundAuiiibilNxiwrithmidMetrilu.J慎榆).("■l^ebrnnke1hL(盹W7)SA-inicnsiliv^邸尸」：noiKiprcsiorofPRcenes湖M:ncni-inducihleiTnmunity血户：SA-inseifittiwAlldic.AnkyrinrqxatcxintaininEproteininterajctiiiEwithhZJPIranstripticri以廿心侣CaoclsJ.睥蝴UulaneyHil.(Il聘，人ShahetaJ.(I997)Mutiiat^^hiKVi-i»｝*电曲urwijdl「e若成脚c“i■华口也pLidMi-^enEnhiuiceJSAiLucmnLiJME■cpvl:c-ar^titutiv^expreidojiofPRuenes GARe-tpicueda-cnstitnth'skifprJ:cnmldtLitiwe己KprESjdfninfjP/2j/enes ^p-n-nt^inifinijxl-IR-Hkiel«.inTiE；rprrf:cnnttitLitiweespreMi-n-nnPPRtrenffs marlcfirocn-s.Fr-rmJApa.thwjiykl^uiecpfcsAfidSprTTt^inefiUKkATiTlfnmvifinnMk1es.iflTi-tiniulHtTi£diicnse N耶thwTe£iihtn「nfcellde-flthks.irri-^inii]lHtTi£diicsse ehinc-ffimctinnmofatinTidefcnECnodeath1 <jadcsfar ULtlectide-debriDenodcith2 dependent^tedian-chaniEl皿狂ajuueleralcdcd1death5 ijanitilutiveiucti^itianofaewjal血&:Jjuceleraledcdldeath6 drfencimarkers.SA-dep«rdent;_MkhypmeTi&iti«response-hkele&kiTi1 ajcuimulitionofR.0SCjanitTlutiveexpraiKinofSA-ETi'JAdefencewncsMutaitscxpresaitjiHRhmrertS.AR曲｝:defectiveinindixjedrr&istanue Encedesb102anrinaacidprotein;时上iuppresficrcfSAiT^ensitrvity8 simMrtonon-speatic:lipidan.:suppressor<ifnprlindudbk1 traniter-likeproleiTiJ:coratitutiv^ resjilarti SA.-dependent.NPRl-in<fcpendentSA-dep-endent.aciad-awmtreajncfSAandNFRI<jod£&foraspeirticproleiTiaiccn/ymeinvoJ心.in化回and.tjitemkjjctrvati>nncfdefieric«*ne&ClurkeelnJ.『瓣&也好J)H-nwIinffCtal. 1SW7)Dittrichrtal.(1W4),Wrymairnela1. fiTrenbrrj!(2001)¥uctaUlg,CiwenheTi!ctJ.(20(X1),Ra.beetaJ.(1翔),Devadasetml.Q明J)SwukielaJ.Deliney(2WX)).Lietb\.(1^99).5u7iik:iclid.(2<»4iSA非依赖的信号途径尽管SA在植物的防御反应中是一个重要的信号分子，但是一些阻碍SA信号传递的突变体也有抵御病原菌侵染的能力。而且，PR基因的活化与SA的积累水平不总是一致的。这表明，可能存在诱导PR基因的另一条信号途径。在一些试验中病原菌的浸染会会造成JA和ET的增加。在HR表达过程中，与JA和ET合成相关的两个基因脂肪酸合成基因和ACC合成基因都上调。外源喷施JA或ET会导致PDF1-2和Thi2-1的表达，这两个基因在病原菌侵染时分别编码防卫素和硫素。这些基因因为不会导致SA的响应所以可以作为JA和ET的标记。在植物受到食草动物伤害或根际病菌侵染时JA、ET会积累，它们的表达会减少病害症状这与系统获得抗性类似。根接种荧光假单胞杆菌(Pseudomonasfluorescens)会激发SA或JA/RT依赖的途径。早期发现SA信号突变体nprl会阻止SA依赖的信号途径，现在发现还阻止JA/ET信号途径，表明NPR1不但在SA信号传递中起作用而且在JA/ET信号中起作用。对JA或ET不敏感的突变体用于对JA/SA信号途径的分析。这些突变体包括乙烯受体1突变（etrl），组成三突变体（ctrl）和乙烯不敏感突变体2（ein2），所有的这些突变体都影响ET的信号途径。另外还有毒素不敏感型突变体（coil），jarl（JA抵抗型）和JA敏感型突变体（jin4），这些都影响JA的信号转导。这些突变体都表现出对病原菌的敏感性。npr1,jar1或npr1,ein2的双突变体也对病原菌敏感。这些突变体表现出PRKSA诱导）表达的完全缺失和PDF1-2（JA-/ET-诱导）。因此，JA/ET在局部抗性表达中起到一定作用。hrll,etrl和hrll,coil的双突变在出现病变的叶子上体没有发现PR1基因表达的减少，但是在没有病变的叶子上PR1表达受阻而这会增加感病性。这些结果表明在植物由局部抗性到系统抗性转化过程中JA/ET起到一定作用。最近人们发现ABA在抗病响应中起到一定作用。外源喷施ABA会增加植物对病原菌的感病性，这表明ABA是抗性响应的负调节因子。ABA的信号因此表现出对JA/ET信号途径的拮抗。但是在感病早期ABA通过快速形成肌胝质从而增加对病原菌的抗性。Table2Defeite-relatcd.rnutantsiiffactaiinJA.ETand.ABAdgnalliTij;MutantsRemarksongendprabein/phenotypeRcferCTi«JA.iiETiaJHiij!odH:caronatinc-iriirnsitrvc1CedesforinKboxprolan;plijiarcleinubKiuitinatiDnand.auxinproteisome她naJImgpathwayEctiJ.11^4j.Xiectd(1JD8)Jar/:jiarnonatere戒tance项祯4:jasmonicCedesfarJATncidif>inEenzymesSLx<nickelil.1；1W2,2001'.He磬rHiJ.lirjiii珈用o.w}phjtodieridGaddreducia&e3*(oratophytodienciGadd.reductaseStintiandBruw&cMronitine-infiCTiiitire1iuppressarrestorercoil-related,phencrlypeXimelil.㈤4)ETsignailing前起：ethylenc-iTiEensTtrwSupprasesmducticuofPUFl.2andIhiS.l; fartran&criptionactivator<■Lumanand.Lxkcr(195()).Bertctal.。豹丸AJun&octal.(1999).(Jarbeelal.(2WX)jconititutivetripleresponseCicneencxxle&anegitiwregulatorofclhjlcneiignaliriE；wtfcsfcrRifpratdnkinaic-likcproteinkiehcrctal.(L993).LiwtonetaJ.(1994).McCourt(W9)但E":ethylenetnpleresponseCedesfarETretjrplor^irnilartohi&tidinekin皿Chiuigetal.(1993).RnninclcxctaJ.(199*]ABAMjjnallingahiJ-/:Aug-insensitivea/w-/:AISA-defkzienlSer/IhrprateinphctphataicNcgati>BerrgulatorcfABAsignallingBertduchectd. AJIenelaJ.〔1。免)koaiTlTKefCt11.(吟陀1血-2：ABA-dcrfkicnlMuiati口口inSDRl^enewhkha&hartchsdrideh>draUEiuK'rcdL^ta^Einvolved,inAHAbja&yrrthe&kLe€in-Klo£i&l£i7iel沮d.(1更响'ChoigetaJ.[古用2)防御信号途径的交互作用由SA,JA,ET,ABA等信号分子引发的抗性并不是独立的，而是一个复杂的信号网络。不同路径之间的介导可以通过以下方法。1不同路径中共享的因子例如NPR1,介导了SA和JA./ET的信号途径。2同时调节不同路径的因子例如在编码组成型抗性的突变体中诱导PR1和PDF1-2表达的因子。3一种途径的因子是另一种途径的负调节因子。例如，ABA阻止SA诱导的防御，或者SA阻止JA诱导的防御响应。4信号分子之间的协同作用。例如，JA/ET会增强SA诱导产生的抗性。ET和JA之间的协同作用也有过报道。5增强一种途径但是对另外一条没有诱导。例如，在突变体中JA/ET被诱导但是SA途径被阻遏。特殊路径的诱导是也是病原菌依赖的。因此，SA途径主要诱导生体营养型病原菌的反应，然而JA/ET途径诱导尸体营养型病原菌的抗性。植物能明显的用不同途径来应对不同的病原菌。P”1K弥mRfljiijitsiiee ItesintaiiceE;Ll!.1M(^1^1土UH’ingirnmdion，瓦1%'妃己口v^ricmtponcnti;(»f山七Miwl 肮gnMLiri*pwhwMys-Ar「gw*in-dknlcinducLi^nLin』birj;incl/HtrinhibiliDn.Rnc-medinLedsitiniilliny:sup2rLmpnw.'h.“nLlicbitJi-LildefencepHfhwHyLtndhitsbeenJihotvnbyhittihudline%.InicrLtclu^ns.Ixuvucnkty3虺millingmt^cuulc^,MtlicylicitcLd(SA),■ii^monLiljc[JA),cltiylcnc itnJLtb^ci^ichlidfABA)hLivebeenin-dkLticdbyh(?Ltllines.Inhibil-orsof defencepi-tthwitys,wheremmin5『呻L：^n^uhluyc of「csiMiiniJcintikHKiiinLlnlics.rIhephenotypicpre?LeinsLorcxpixr*jj。。olreh-LsUtneenlitiicly,PRLPDIT.lnnJTH[三.1,LnducudbySA,JALindETpMhEq*「MpucU件ly?haltb<.icnunderlined.1hismrxJcIl、bgctloncLtrllcrrcport-utlmbytiki^cbr^d-kf2C(jl)unJKunfcclHndBmokif2(j02)抗性信号中的转录因子转录因子是序列特异性的DNA结合蛋白可以调节基因表达。转录因子在下列基于DNA结合域的基因家族中调节抗性基因的表达。1WRKY家族这一家族的转录因子是植物所特有的，包括72个成员.WRKY蛋白有1-2个含有60个氨基酸的WRKY域。DNA的结合区域在一个称作W-box的的保守区域,这个接合域结合在许多植物抗性基因的启动子上。许多W-box都在一个单一的启动子区域，表明WRKY蛋白可能有协同作用。WRKY基因可以被病原菌、细菌、真菌甚至是信号分子如SA和JA诱导。R基因的产物RRS1被发现有WRKY域除此之外还有TR-NB-LRR域，表明直接R基因的产物可以调控WRKY产生病原菌的识别。ERF家族这一家族的转录因子也是在植物中特有的而且包含拟南芥AP2/EREBP146个成员的56个。这些成员包括了一个称作GCC-box的保守序列。这一序列也在病原菌和SA,JA,ET诱导基因的启动子区域出现。我们已经知道R基因的产物可以诱导这一家族的多个成员。在番茄中